TMD减振体系动力响应理论与试验研究

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自从结构振动控制的概念被提出以来,调频质量阻尼器(TMD)因为具有构造简单、造价低廉、安装方便灵活等优点被广泛应用到高层建筑结构、土木工程的振动控制中。以前关于调频质量阻尼器的研究中通常假定其中的阻尼元件是粘滞阻尼,粘滞阻尼TMD减振结构的优化设计理论已经发展的很成熟,关于复阻尼在TMD中的应用研究还比较少。鉴于此,本文充分借鉴粘滞阻尼调频质量阻尼器在结构振动控制领域的研究成果,通过理论分析和试验对复阻尼调频质量阻尼器在结构减振控制中的应用进行了研究,此外对比分析了风振和地震作用下TMD的减振效果,主要工作和研究成果包括以下几个方面。  (1)建立了主结构无阻尼的双自由度分析模型,对采用复阻尼TMD减振单自由度结构的动力响应在简谐激励和平稳白噪声激励分别作用于主结构和基底时进行了分析,建立各自的动力学平衡方程,参照粘滞阻尼TMD求解最优参数的方法,基于定点理论给出了求解复阻尼TMD最优参数的方法。以主结构位移响应最小为优化准则,推导了复阻尼TMD的最优频率比和最优阻尼参数的理论公式,同时与粘滞阻尼的结果进行对比,结果表明复阻尼TMD的整体减振效果与粘滞阻尼的效果接近。对复阻尼TMD在达文波特风速谱作用下的随机响应进行了分析,结果表明复阻尼TMD的减振效果稍小于粘滞阻尼TMD的减振效果。  (2)按推导的复阻尼TMD最优参数理论公式设计了一个单自由度钢框架TMD减振结构,基于电磁振动台和电磁激振器对钢框架进行简谐激励试验研究,简谐激励分别作用于钢板和基底来模拟现实中风荷载和地震作用于建筑结构的情况。试验结果表明主结构位移反应动力放大系数随频率比的变化曲线与理论推导的结果有相同的趋势,TMD的减振效果受激励频率的波动影响较大,当激励频率接近主结构的自振频率时,TMD减振效果好,当激励频率远离主结构的自振频率时,TMD减振效果较差,在某些频域内可能放大结构的响应,TMD的鲁棒性较差。在减振好的情况下,TMD振动幅度很大且与主结构振动存在相位差,表现出动力吸振和调频的特点。  (3)利用MATLAB软件编制了程序,计算了按最优参数设计的粘滞阻尼TMD和复阻尼TMD减震结构在多条地震波作用下的减振效果,结果表明复阻尼TMD的减震效果和粘滞阻尼TMD接近。对钢框架进行了多条地震波作用下的振动台试验,结果表明地震波作用下TMD减震效果稳定性很差,有可能会放大结构的响应。理论和试验共同证明:地震动频域能量分布的差异对TMD的减震效果影响很大,当地震动频谱中主结构频率对应分量幅值处于反应谱曲线局部极小值附近时TMD减震效果不好,可能会放大结构的地震响应;当地震动频谱中主结构频率对应分量幅值处于反应谱曲线局部极大值附近时TMD减震效果显著。增加结构的阻尼比可以使反应谱曲线趋于平滑,能够提高TMD减震效果的稳定性。TMD减震技术应用于结构抗震设计时,需详细考察其减震效果的可靠性,不能仅仅依据规范要求的3组地震波作用下的结果加以设计。  (4)基于双自由度模型,从振型参与系数的角度对比风振和地震作用下TMD的减震效果。结果表明风振作用下结构第二阶振型参与系数大于地震作用的结果,风振作用下结构的第二阶振型对总响应的贡献更多,因此对于单自由度TMD减振结构,TMD对风振的控制效果优于地震控制。对二自由度结构在简谐激励作用于主结构和基底进行了时程分析,对于不同的激励频率,第二振型贡献大时,减振效果好,第二振型贡献小时,减振效果差,可能放大结构的响应。风振作用下结构的第二阶振型对总反应的贡献大于地震作用的结果,TMD减振体系在风振控制中的减振效果更优。
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